某辦公樓光伏微電網系統設計研究

摘 要：光伏發電系統具備實施方便、清潔無污染的優勢，在既有建筑照明系統老化的情況下，引入光伏發電、直流配電、分布式電源等形成光伏微電網系統，綠色節能，可降低既有配電網峰值壓力，提高照明系統可靠性。現以某辦公樓照明系統改造項目為例，對光伏微電網系統的搭建、設計以及在既有建筑應用的經濟性分析進行了詳細說明，包括光伏方陣設計、直流配電電壓選擇、儲能電池容量選擇、年發電量估算等。

關鍵詞：光伏組件；直流配電；儲能電池；光伏微電網

中圖分類號：TM615? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）09-0008-04

DOI：10.10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.09.003

0? ? 引言

在能源消耗和碳排放“大戶”的建筑領域，在雙碳戰略背景下，以數字化、智能化為主的新型智慧配電系統，以消納新能源為主的微電網、局域網，是加速建筑碳中和目標實現的重要舉措。基于此，研究構建既有建筑物光伏微電網系統，并提出直流配電及分布式電源的應用問題。太陽能作為清潔可再生能源，廣泛存在于各地，光伏發電作為太陽能利用的重要途徑，往往以大面積的光伏電站、民用的小型屋面光伏發電系統出現，大面積光伏發電站存在并網、輸送電的困難，民用小型屋面光伏發電存在供電穩定性、可靠性不足的問題，這些問題都體現了太陽能整體利用率不高的現狀。而光伏微電網系統，結合建筑內的某個小型配電系統形成以光伏發電、電池儲能、直流配電、柔性供電為核心的微電網系統，能夠有效提高太陽能的利用率，解決光伏發電供電可靠性和穩定性不足的問題[1]。

1? ? 項目概述

某辦公樓為框架、剪力墻結構，陶粒混凝土空心砌塊填充墻，層高均為3.5 m，建筑高度55.9 m，總建筑面積24 500 m2。

該辦公樓地下1層，地上14層，其中第14層為局部建筑，功能為多功能大廳。辦公樓目前照明系統以T5熒光燈為主，由于照明使用頻率較高，鎮流器頻繁燒壞，燈管經常更換，擬對照明系統進行節能改造，現對全樓照明燈具統計如表1所示。

此辦公樓照明系統進行節能改造的主要內容有：照明燈具更換為直流LED燈管，交流配電線路更換為直流配電線路，新增直流配電箱和分布式儲能電池，新增屋頂光伏發電系統等。

2? ? 光伏微電網系統框架搭建

微電網屬于一種將分布式電源和負荷進行儲能，將監控防護裝置有效聚合在一起的小型發配電系統，通過該系統的有效應用可以有效提高整個光伏發電的質量及可靠性[1]。本工程為既有建筑提升改造，擬采用直流系統為辦公樓照明負荷供電，與建筑新增光伏發電單元、分布式電源形成光伏微電網系統，構建圖1所示框架圖。

該系統用電負載是直流負載，有光照時，組件將光能轉換為電能供負載使用，并同時向蓄電池充電；夜間或者陰雨天，則由蓄電池或電網向負載供電，優先選擇蓄電池，當蓄電池電量不足時，通過雙電源切換裝置切換至電網向負載供電[2]。

3? ? 微電網系統設計

3.1? ? 光伏方陣的串并聯設計

本工程辦公樓總裝機容量為69.12 Wp，采用單晶硅屋頂固定支架方陣。

本工程選用的逆變器容量為40 kW兩臺，最大陣列開路電壓為1 000 V，最大功率點跟蹤（MPPT）電壓范圍300～850 V，假定每一個光伏方陣的串聯組件數為N。

3.1.1? ? 光伏方陣的串聯設計

電池組件串聯數量計算，根據文獻[3]GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》，計算公式如下：

式中：N為電池組件串聯數；Vdcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓；Vmpptmin為逆變器輸MPPT最小電壓；Vmpptmax為逆變器輸MPPT最大電壓；Voc為光伏組件開路電壓；Vpm為光伏組件工作電壓；KV為光伏組件的開路電壓溫度系數；K′ V為光伏組件的工作電壓溫度系數；t為光伏組件工作條件下的極限低溫；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫。

綜合考慮組件方陣布置情況及逆變器的選型，本工程的光伏組件均采用16塊組成一個串聯。

3.1.2? ? 光伏方陣的并聯設計

光伏方陣的并聯數量根據逆變器容量大小來定，本工程選用單晶硅組件峰值功率為540 Wp，則每臺40 kW逆變器采用每串16塊540 Wp單晶硅組件，單個逆變器安裝64塊光伏組件，共接入1個逆變器所安裝的光伏組件為4串。

3.2? ? 光伏子方陣的間距及傾角計算

根據文獻[3]中7.2.2條規定，光伏組件排或列的間距應保證每天09：00—15：00時段內前、后、左、右互不遮擋，此為計算光伏組件間距的基本依據。

計算當光伏方陣前后安裝時的最小間距D，如圖2所示。

計算公式如下：

太陽高度角的公式：

sin α=sin Φsin δ+cos Φcos δcos ω

太陽方位角的公式：

式中：Φ為當地緯度為39.8°；δ為太陽赤緯，冬至日的太陽赤緯為-23.5°；ω為時角，上午09：00的時角為-45°。

L=H/tan α

D=Lcos β

式中：H為方陣前排最高點與后排組件最低位置的高度差。

本工程的光伏組件沿混凝土屋面采用固定支架安裝，根據表2光伏陣列最佳傾角參考值可知，本工程光伏組件安裝傾角43.8°，組件之間安裝間距按上式計算可得D=4 454 mm。但在進行光伏組件的布置時要避開女兒墻的陰影，并避開采光帶等構筑物，方陣與女兒墻及采光帶留出1 500～2 000 mm檢修通道。

3.3? ? 直流配電電壓的選擇

根據T/CEC 107—2016《直流配電電壓》，直流可選擇電壓如表3所示。

建筑內照明供電系統一般為AC220 V供電，供電容量一般不超2 kW。建筑內常規照明AC220 V供電系統改為直流供電，可優選DC48 V和DC220 V，其中DC48 V供電電壓為安全電壓，但是供電半徑比較短，無法滿足走廊、樓梯間等較長距離的照明供電，而DC220 V供電電壓雖不是安全電壓，但是跟常規AC220 V供電電壓吻合，不存在供電半徑無法覆蓋的問題。為進一步確定該辦公樓照明系統的供電電壓，分別針對不同供電電壓下各種供電導線截面不同的情況，計算供電容量的極限和供電半徑的覆蓋范圍。

式中：ρ為電阻系數，取0.018 4 Ω·mm2/m；L為導線長度（m）；P為回路容量（kW）；S為導線計算截面（mm2）；UDC為回路供電電壓（V）。

忽略變電所至樓層配電干線壓降，僅考慮末端配電線路壓降不超過5%，通過計算，DC48 V和DC220 V照明供電容量和供電半徑對比如表4所示。

從表4可知，選擇DC48 V安全供電電壓需增加供電導線截面解決供電半徑不足的問題，不是很經濟。考慮到常規AC220 V雖然為非安全電壓，但也作為照明供電電壓的優選電壓經過長時間實踐運行證實其安全可靠，直流配電電壓亦可選擇DC220 V，同時可通過加強絕緣、接地保護等間接接觸防護措施保證用電的安全性。

本工程辦公樓綜合考慮選擇DC220 V為辦公樓照明供電。

3.4? ? 儲能電池的容量

本項目光伏發電系統，儲能電池的容量按下式計算[4]：

Cc=DFP0/（UKa）

式中：Cc為儲能電池容量（kW·h）；D為最長無日照期間用電時數（h）；F為儲能電池放電效率的修正系數（通常為1.05）；P0為平均負荷容量（kW）；U為儲能電池的放電深度（0.5～0.8）；Ka為包括逆變器等交流回路的損耗率（通常為0.7～0.8）。

在本項目中，考慮最多1天的陰雨是合適的，所以此處蓄電池的容量應為4 410 kW·h。

蓄電池電壓需匹配電網電壓，即為220 V，則蓄電池容量為20 045 Ah，取整20 800 Ah。每串蓄電池組由110塊2 V蓄電池組成，26串并聯，共計2 860塊2 V蓄電池。本項目共地下1層、地上14層，26串蓄電池組分5組，其中-1F～2F設置6串并聯，共660塊電池組；3F～5F設置5串并聯，共550塊電池組；6F～8F設置5串并聯，共550塊電池組；9F～11F設置5串并聯，共550塊電池組；12F～14F設置5串并聯，共550塊電池組，從而構成分布式電源。

4? ? 年發電量計算

根據文獻[3]，光伏發電量計算如下：

式中：Ep為上網發電量（kW·h）；HA為水平面太陽能總輻射量（kW·h/m2，峰值小時數）；ES為標準條件下的輻照度（常數=1 kW·h/m2）；PAZ為組件安裝容量（kWp）；K為綜合效率系數。

綜合效率系數K包括：光伏組件類型修正系數、光伏方陣的傾角、方位角修正系數、光伏發電系統可用率、光照利用率、逆變器效率、集電線路損耗、升壓變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數、光伏組件轉換效率修正系數。本工程系統綜合效率系數取值82.5%。

按照Meteonorm太陽總輻射數據，辦公樓屋頂水平面太陽總輻射年平均值為1 391 kW·h/m2。根據光伏組件電池組件25年衰減率，按照分段線性衰減，第1年衰減2%，第2年至第25年，年平均年衰減率0.45%，按此計算得出25年分年發電量，考慮組件衰減性，第一年發電量理論計算值為8.5萬kW·h，比年平均上網電量高出5.2%。25年總計發電量為201.41萬kW·h，平均每年發電量為8.06萬kW·h，平均每天發電量為221 kW·h[5]。25年分年發電量如表5所示。

5? ? 結語

辦公樓照明系統原有熒光燈、節能燈等安裝容量145 kW，年耗電量約36萬kW·h，本辦公樓用電為商業用電每度電1.1元，考慮燈管更換等運行費用，原照明系統年消耗成本約43.56萬元。光伏微電網安裝后，考慮安裝施工等費用，投資回收期3～4年，且每年可節約標煤44.28 t，同時每年可減少97.92 t碳粉塵、358.9 t二氧化碳、10.8 t二氧化硫、5.4 t氨氧化物污染排放[6]。

因此，在既有建筑改造形成光伏微電網系統，既能解決既有建筑系統供電可靠性問題，節約成本，又符合國家節能降碳的雙碳政策，同時具有經濟性、可操作性，因此，既有建筑改造光伏微電網系統值得推廣。

[參考文獻]

[1] 陳敏.微電網系統儲能電池最佳容量配置估算法[J].太陽能，2018（2）：50-53.

[2] 袁鵬.分析光伏發電的微電網系統[J].通訊世界，2019，26（10）：220-221.

[3] 光伏發電站設計規范：GB 50797—2012[S].

[4] 李冬華，曾鵬飛，羅多，等.興業研發樓光伏微電網設計與應用[J].綠色建筑，2016，8（1）：57-59.

[5] 劉鵬，南婧.光伏發電技術在微電網中的應用[J].節能，2012，31（10）：7-10.

[6] 陳思文.光伏發電的微電網系統研究[J].科學技術創新，2019（6）：174-175.

收稿日期：2023-01-11

作者簡介：劉克清（1985—），男，甘肅人，高級工程師，研究方向：建筑電氣、電氣傳動。